近距離上穿既有地鐵施工機理與變形控制研究

夏國政，高雪艷，王福臨

(1.煙威高速公路管理處，山東 煙臺 264003；2. 魯東大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264025)

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，越來越多的城市軌道交通正在如火如荼地建設中，地鐵在城市軌道交通中扮演了越來越重要的角色[1-4]。在地鐵施工中，受制于地形和周圍環(huán)境，地鐵施工不可避免的會對周圍既有結構物產(chǎn)生一定的影響，這其中新建地鐵上穿既有地鐵施工也愈發(fā)常見，新建地鐵施工會對既有地鐵的運營產(chǎn)生一定的影響，在設計和施工中必須引起足夠的重視[5-7]。本次地鐵上穿施工埋深較淺，不僅會對既有隧道產(chǎn)生影響，也會對地表產(chǎn)生較大影響。Peck通過處理大量現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隧道開挖造成的地表沉降曲線符合正態(tài)分布[8-10]，地表沉降形狀如圖1所示，他認為沉降是由于地層體積損失造成的，同時基于土體不排水、體積不可壓縮的假設條件，推導出了隧道施工引起的地表沉降公式：

(1)

其中：

(2)

圖1 地表沉降

式中，S(x)為隧道開挖引起的地表沉降量；Vloss為隧道單位長度的土體體積損失率[11]；i為地表沉降曲線的拐點，也即為沉降槽寬度系數(shù)。Peck給出了Vloss和i的計算公式分別為：

Vloss=πR2η

(3)

(4)

國內(nèi)外學者對于隧道近接施工問題開展了大量的研究，Hasan等[12]針對伊斯坦布爾某過江隧道項目的兩個關鍵結構的設計和施工工程，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測手段，重點介紹了通過近接施工造成的影響。Wan等[13]基于北京地鐵7號線下穿既有北京地鐵10號線雙井站的施工工程進行了數(shù)值模擬，分析了下穿開挖對既有地鐵主體結構上的變形和力，得出了下穿施工的優(yōu)化方案。陳瑜嘉等[14]依托青島地鐵隧道近距離下穿某高層建筑工程，采用三維數(shù)值模擬方法分析了不同埋深對隧道破壞的影響。石曉燕等[15]基于深圳某基坑降水工程，采用有限元軟件PLAXIS，探討了基坑開挖后工程樁降水對臨近雙向水平隧道的應力及變形的影響。

本文對某新建地鐵隧道上穿既有隧道施工工程采用FLAC3D進行了數(shù)值模擬，通過對比實測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值計算的可靠性，研究了上穿施工過程對既有結構的應力應變影響，進而提出了典型工況下的變形控制措施。

1 工程概況

某新建地鐵施工多次下穿和上穿地鐵隧道，沿線多處重大風險源。既有地鐵隧道采用盾構法開挖建造，其外徑為7.0 m，厚度為0.3 m。新建地鐵隧道亦采用盾構法施工，尺寸與既有隧道相同，新建隧道的覆土厚度為5 m，同時新舊平行隧道的凈距僅為3 m，現(xiàn)場勘測得到的地質(zhì)狀況如圖2所示。

圖2 隧道地質(zhì)狀況

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計算模型

結合現(xiàn)場實際工況，本次數(shù)值模擬采用三維模型來計算，隧道的尺寸同現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，考慮到邊界效應，模型長72 m、寬62 m、高68 m，地層自上而下的土質(zhì)分別為：素填土、砂巖、中風化花崗巖，模型及地層分層情況如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型

2.2 數(shù)值計算方法

具體數(shù)值計算分析方法如下：

(1) 邊界條件：模型圍巖體頂部為自由面，其余面豎直方向位移約束。

(2) 開挖方法：先開挖既有隧道，既有隧道施工完成后，再開挖新建隧道，單次開挖長度為2 m，隧道初期支護采用C25混凝土，二襯采用C30混凝土，隧道支護結構采用殼單元進行模擬。

2.3 材料參數(shù)

結合現(xiàn)場地質(zhì)勘探的結果和以往數(shù)值模擬經(jīng)驗，本次模擬的土體參數(shù)的選取情況如表1所示。

表1 材料參數(shù)取值

2.4 數(shù)值計算可靠性分析

將對隧道拱頂下沉進行現(xiàn)場監(jiān)測，具體監(jiān)測必測項目及監(jiān)測頻率見表2，監(jiān)測點布置如圖4所示。

表2 新建隧道拱頂監(jiān)測

圖4 監(jiān)測點布置

選取新建隧道拱頂沉降量的數(shù)值模擬計算結果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，驗證本次數(shù)值計算的可靠性，如圖5所示。從圖5中可以看出數(shù)值計算結果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的變化趨勢相似，在開挖初始，由于距離監(jiān)測斷面較遠，擾動很小，產(chǎn)生的拱頂沉降很小且變化平緩，當開挖到監(jiān)測斷面附近時，拱頂沉降值驟增，而后隨著開挖掌子面的遠離，拱頂沉降變化趨于平穩(wěn)并取得最大值，數(shù)值模擬值與現(xiàn)場實測值的最大誤差僅為17.53%，在巖土工程數(shù)值模擬計算的誤差允許范圍內(nèi)，所以本文采用的數(shù)值模擬計算方法比較接近實際工程，數(shù)值模擬計算的結果具有一定的可靠度。

圖5 新建隧道拱頂沉降隨施工步變化曲線

3 數(shù)值計算結果分析

3.1 位移分析

圖6展示了新建隧道上穿既有隧道造成的既有隧道變形云圖，從圖6中可以看出，上穿施工使得既有隧道會產(chǎn)生隆起，且拱頂隆起量大于拱底隆起量，這是由于既有隧道的拱頂距離新建隧道比拱底距離新建隧道更近，拱頂隆起量為1.34 mm。圖7闡釋了既有隧道拱頂變形隨著新建隧道開挖過程的變化，由圖7可知，在開挖到所在的埋設里程附近時，即距離既有隧道監(jiān)測斷面為-16 m(-2.5D，D為新建隧道的外徑,下同)時，既有隧道拱頂隆起變化曲線急劇上升，隆起量急劇增加，當新建隧道開挖掌子面距離既有隧道監(jiān)測斷面為16 m(2.5D)時，既有隧道隆起量變化趨于平穩(wěn)，而后隨著隧道掌子開挖面逐漸遠離埋設里程的監(jiān)測斷面，隆起曲線的變化逐漸平緩直至穩(wěn)定，從-16 m到16 m這段施工產(chǎn)生的變形占到了總變形的79.1%。

圖6 既有隧道變形云圖

圖7 既有隧道拱頂隆起隨新建隧道施工步變化曲線

3.2 應力分析

圖8為既有隧道襯砌的正應力云圖，由圖8可知，新建隧道上穿施工引起的既有隧道正應力變化量主要集中在既有隧道襯砌拱底兩側，范圍約為-45°～45°，圖9為既有隧道襯砌的正應力隨著新建隧道開挖距離的變化曲線，由圖9可知，既有隧道外襯和內(nèi)襯的拱底正應力均大于拱頂正應力，既有隧道襯砌拱頂和拱底的正應力變化曲線均是先平穩(wěn)變化，當開挖掌子面到達監(jiān)測斷面時，曲線急劇變化，而后隨著開挖掌子面的遠離，曲線變化趨于平穩(wěn)，既有隧道襯砌的正應力最大值在允許范圍內(nèi)，不會造成受拉或受壓破壞。

圖8 既有隧道正應力云圖

圖9 既有隧道主應力隨新建隧道施工步變化曲線

3.3 受力分析

圖10為既有隧道拱頂和拱底軸力隨新建隧道開挖距離的變化曲線，由圖10可知，對于新建隧道上穿施工引起的既有隧道軸力變化，拱底變化量要遠大于拱頂變化量，既有隧道拱底變化量隨著新建隧道的開挖逐漸增大，而既有隧道拱底變化量隨著新建隧道的開挖逐漸減小，圖11為既有隧道拱頂和拱底彎矩隨新建隧道開挖距離的變化曲線，由圖11可知，既有隧道拱頂和拱底彎矩和軸力隨著新建隧道的開挖逐漸減小，既有隧道襯砌拱頂和拱底的內(nèi)力變化曲線均是先平穩(wěn)變化，當開挖掌子面到達監(jiān)測斷面時，曲線急劇變化，而后隨著開挖掌子面的遠離，曲線變化趨于平穩(wěn)，既有隧道襯砌的軸力和彎矩最大值均在允許范圍內(nèi)。

圖10 既有隧道軸力隨新建隧道施工步變化曲線

3.4 變形控制對策

(1) 加強監(jiān)控測量。主要監(jiān)控參數(shù)包括：既有隧道拱頂變形、拱底變形、水平收斂、軸力、彎矩等內(nèi)容，監(jiān)測項目如表3所示。

圖11 既有隧道彎矩隨新建隧道施工步變化曲線

表3 新建隧道監(jiān)測項目

(2) 合理優(yōu)化新建隧道初支。通過數(shù)值模擬分析可以看出，新建隧道開挖后會造成既有隧道近側的變形，產(chǎn)生一定的擾動。可以適當提高初支的厚度，減少對既有隧道的擾動。

(3) 調(diào)整開挖方法。盾構施工會對掌子面產(chǎn)生一定的壓力和振動，進而影響圍巖和既有結構，而上下臺階法開挖產(chǎn)生的影響則較小，所以在現(xiàn)場施工中，應根據(jù)典型地質(zhì)條件和周圍環(huán)境，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，適當選取或調(diào)整開挖方法。

(4) 預注漿加固。在新建隧道開挖前可對既有隧道附近圍巖進行預注漿加固，通過改變注漿壓力、延長注漿時間等手段使得加固后圍巖剛度得到進一步提升，從而可有效減小擾動。

4 結 論

(1) 上穿施工對既有隧道的變形影響范圍主要集中在-2.5D～2.5D(D為新建隧道的外徑)范圍內(nèi)，這部分的變形量占到了總變形量的79.1%。

(2) 新建隧道上穿施工引起的既有隧道正應力變化量主要集中在既有隧道襯砌拱底兩側，范圍約為-45°～45°，拱底正應力要大于拱頂正應力，既有隧道外襯的正應力均為壓應力，既有隧道內(nèi)襯的正應力均為拉應力。

(3) 新建隧道上穿施工引起的既有隧道拱底軸力變化量要遠大于拱頂軸力變化量，既有隧道拱底軸力變化量隨著新建隧道的開挖逐漸增大，而既有隧道拱底軸力變化量隨著新建隧道的開挖逐漸減小。

(4) 在新建隧道開挖前可對既有隧道附近圍巖進行預注漿加固，通過改變注漿壓力、延長注漿時間等手段使得加固后圍巖剛度得到進一步提升，從而可有效減小擾動。